滴灌条件下盐渍土盐分淡化区形成过程中离子运移特征

祁 通，黄 建，孙阳讯，徐 菲，张玉铃，王金鑫，王新勇

(1.新疆农业科学院 土壤肥料与农业节水研究所农业部西北绿洲农业环境重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830091；2.新疆喀什地区岳普湖县农业技术推广中心，新疆 岳普湖 844400)

0 引 言

新疆盐渍化耕地面积为1.62 × 106hm2，占耕地总面积的32.07%[1]，土壤盐渍化是制约新疆灌溉农业可持续发展的主要因素。根据新疆土壤盐化分级标准[2]0～30 cm土壤中含盐量在0.9%～1.3%为中度盐化土壤，作物减产20%～50%；含盐量在1.3%～1.6%为重度盐化(高盐)土壤，作物减产50%～80%，其中中重度盐渍化耕地面积为3.91×105hm2，约占盐渍化耕地的1/4[1]。目前中重度盐渍土的治理主要调整土壤中的水盐平衡，通过大量的淡水洗盐及压盐，借助排水系统将盐分排出灌区，这种模式对灌区的水资源与下游的生态造成了巨大影响。

新疆膜下滴灌技术在盐碱地的实践表明，将覆膜种植技术与滴灌节水技术结合起来，抑制土壤盐分的上移，而且在滴灌的淋洗作用下，剖面土壤内的盐分定向重分布，形成了脱盐区、稳定区与积盐区，因而滴灌具有调控盐渍化耕地土壤盐分的作用[3]，可以为作物主根生长创造一个盐分淡化区[4-5]，这就为重盐渍耕地的利用提供了新的研究思路和方法。研究发现，滴灌后盐渍化土壤垂直方向0～40 cm形成盐分淡化区[6-7]，盐分被淡化的过程包括 2个方面，一是总盐分的淡化，二是盐分离子的淡化，盐分淡化区的形成实质上是土壤盐分离子迁移和分异的结果。

土壤水分是土壤盐分运移的载体，伴随着水分的入渗，土壤盐分在三维空间内发生运移，表现出表层土壤淋洗脱盐，而由于不同盐分离子随水淋洗的速率不相同[8]。虽然盐分淡化区内总盐分有很明显的下降，但部分离子可能并未被淋洗下去，同时，在这个过程中盐分离子的组成也会发生改变。以往的研究只集中在滴灌参数[4-5,7-11]、种植年限[12-15]等对总盐分的变化方面，而对于盐离子的研究主要为棉田生育期内土壤盐分离子分布结果方面[14-16]，并未系统阐明非种植条件下滴灌过程中离子的运动规律。本研究以重盐碱土壤为研究对象，利用土柱模拟试验，研究滴灌条件下土壤盐分淡化区形成过程中盐分离子运动和分布特征，为淡盐化耕层构建，合理利用重盐渍化土壤提供理论依据，进一步完善水盐调控理论具有重要的理论支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤采自新疆喀什地区岳普湖县色也可乡盐渍化棉田，土壤为砂质壤土(表1)，土壤平均含盐量为80.55 g·kg-1(表2)，属于硫酸盐-氯化物型的重度盐渍化土壤。对采集的土壤，进行风干过2 mm筛，并进行充分摻拌混均，备用。

表1 土壤粒径分析Table 1 Soil particle size analysis

表2 土壤盐分及盐分离子含量(单位：g·kg-1)Table 2 Soil salt and salt ion contents

1.2 研究方法

试验为无作物土柱模拟试验，在室内进行。土柱为亚克力材料定制的直径50 cm，高60 cm上下无底的圆柱型桶，按干容重1.3 g·cm-3分层均匀装土(每装土5 cm高度，用粗木棍均匀压实磨平)，装土高度55 cm，装土量约140 kg·桶-1[9]，开展土柱模拟实验(图1)。设置12个土柱，每个柱子按照设定的时间进行破坏性取样，取样后不再滴水，不做重复。

试验采用扬程15 m的水泵进行加压滴灌，设置压力表，滴灌带直径φ16 mm滴头为内镶嵌式，间距为40 cm，滴头流量1.08 L·h-1(新疆天业公司)。每个桶由1个滴头供水，滴头固定在桶顶中心位置(图 1)。灌溉用水为饮用纯净水(矿化度0.1 g·L-1以下)，用1 L量筒测量滴头出水量来控制灌溉量，通过压力表控制滴灌压力。

图1 土壤模拟实验装置Fig.1 Soil simulation experimental device

从滴灌开始后记录滴灌时间，在滴灌时间达到1 h，2 h、3 h、5 h、7 h、11 h、15 h、20 h时，以及结束滴灌后5 h(即滴灌后25 h)、10 h(30 h)时，分别选择一个土柱立即进行取样。取样方法：使用直径为2 cm的采样器分别在不同水平方向上采集横向距滴头(桶中心)0、5 cm、10 cm、15 cm和20 cm处的土壤样品，采样深度为0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm和40～50 cm。

图2 实验现场与取样图Fig.2 Field sampling diagram

1.3 样品测试

1.4 盐分及离子脱盐速率的计算

通过计算单位时间内盐分及离子的脱盐速度，研究土壤盐分及离子的运移速率，V为盐分和离子脱盐速率，计算公式如下，

式中：C0为初始浓度值；t为滴灌时间；Ct为滴灌时间t时的浓度；Δt为时间差值。

1.5 数据处理

用Microsoft Office工具Excel 2017进行数据整理；Sufer13进行插值分析、栅格运算、空间分析及分布图的制作。

2 结果与分析

2.1 土壤水分分布特征

从图3可以看出，在垂直方向上，在滴灌2 h(滴水量2.16 L·桶-1)后，湿润锋达到20 cm处；滴灌5 h(滴水量5.4 L·桶-1)后，土壤水分达到25 cm处；滴灌7h(7.56)后，土壤湿润锋达到25～30 cm处；滴灌9 h(滴水量9.72 L·桶-1)后，土壤湿润锋达到35 cm处；滴灌到11h(滴水量11.9 L·桶-1)时，土壤湿润锋还维持在35 cm处；滴灌20 h(滴水量21.4 L·桶-1)后，土壤湿润锋才到达40 cm处；滴灌结束后5h时，土壤湿润锋维持在40～45 cm处。随着滴灌时间的推移，土壤水分开始以20 cm·h-1的最大速度运移，但达到20 cm时，运动速率开始降低，当土壤水分到达35 cm时运动速度降至最低1 cm·h-1。

图3 不同时间内土壤质量含水量的分布特征(单位：%)Fig.3 Distribution characteristics of soil moisture contents in different time periods

在水平方向上，在滴灌1 h后，土壤湿润锋到达10 cm处；滴灌2h后，土壤湿润锋可达到20 cm处，10 cm处土壤含水量继续增加；在滴灌5 h后，土壤湿润锋超过20 cm，继续向桶边缘扩散，10 cm处含水量达到饱和，不再增加，15 cm处含水量趋于达到饱和状态，数量增加缓慢，20 cm处土壤含水量继续增大；当滴灌到7 h时，20 cm处土壤含水量趋于饱和，数量增加缓慢；当滴灌到9 h时，20 cm处土壤含水量不在增加。在重盐渍化土壤条件下，随着滴灌时间的推移，土壤水分先向下移动，后向着水平方向移动，当横向方向上土壤水分趋于饱和状态后，土壤水分向下运动。

2.2 土壤盐分的分布特征

由图4可以看出，在垂直方向上，在滴灌到1 h时，土壤盐分在0～5 cm处下降幅度较大；滴灌到2 h时，0～5 cm处出现盐分相对较低区域即盐分淡化区，10 cm处盐分开始下降；当滴灌3 h(滴水量3.24 L·桶-1)时，盐分淡化区持续扩大至8 cm附近，而15 cm处盐分浓度增加，出现盐分累积层；当滴灌到5 h时，0～5 cm处盐分浓度趋于稳定不再降低，5～10 cm盐分继续下降，盐分淡化区持续扩大10 cm附近；当滴灌到9 h(滴水量9.72 L·桶-1)时，5～10 cm处盐分浓度趋于稳定，15 cm盐分开始下降，盐分淡化区持续扩大至15 cm处，盐分积累层开始下移至20～25 cm处；当滴灌时间达到15 h(滴水量16.2 L·桶-1)时，10～15 cm盐分浓度趋于稳定不再降低，22 cm处盐分浓度开始下降，盐分淡化区持续扩大至20 cm处，盐分积累层下移至22～30 cm；当滴灌时间达到20 h(滴水量21.6 L·桶-1)时，土壤0～15 cm的盐分浓度趋于稳定不再降低，盐分淡化区持续扩大至22 cm处，盐分积累层下移至30～35 cm；当滴水结束5h时，即滴灌后25 h时，土壤0～15 cm的盐分浓度趋于稳定不再降低，盐分淡化区维持在25 cm处，盐分积累层下移至35 cm以下；当滴水结束10 h，即滴灌后30 h时，土壤15 cm处的盐分浓度趋略有升高，盐分淡化区维持在25 cm处，盐分积累层下移至40 cm处。

图4 不同时间内土壤总盐分的分布特征(单位：g·kg-1)Fig.4 Distribution characteristics of soil salinities in different time periods

在水平方向上，滴灌1 h时，距离滴头中心位置土壤盐分含量大幅度下降；滴灌3 h(滴水量3.24 L·桶-1)时，距离滴头10 cm位置土壤盐分含量开始下降，在滴头附近位置形成一个土壤盐分相对低的区域。滴灌5 h(滴水量5.4 L·桶-1)时，距离滴头15 cm位置土壤盐分含量开始下降，低盐分区域持续扩大，距离滴头15 cm位置土壤盐分含量开始下降，低盐分区域持续扩大至10 cm处；滴灌11 h(滴水量11.9 L·桶-1)时，距离滴头20 cm位置土壤盐分含量开始下降，低盐分区域持续扩大至15 cm处。在重盐渍化土壤条件下，随着滴灌时间的推移，土壤盐分先向下移动，后向着水平方向移动，当横向方向上土壤水分趋于饱和状态后，土壤盐分向下运动。

从图5可以看出，滴头中心位置0～10 cm土层总盐分含量从滴水后开始下降，随着滴灌时间的增加，土壤盐分持续下降，直至9 h(滴水量9.72 L·桶-1)时达到最低浓度，并趋于稳定状态。10～20 cm土层总盐分含量，在滴灌开始时快速增加，到3 h时增加的最大浓度，之后开始下降到15 h(滴水量16.2 L·桶-1)时浓度达到最低并不再降低。10～20 cm土层总盐分含量，在滴灌开始时也呈现缓慢增加的趋势，到15 h时，浓度最高，之后盐分浓度开始下降。而30～40 cm土层和40～50 cm土层总盐分含量，从滴灌开始到20 h(滴水量21.4 L·桶-1)时基本没有变化，20 h后盐分开始缓慢增加。这说明在垂直方向上，土壤盐分随着灌水时间的增加，从上到下被淋洗到下层，最终在表层可以形成一个相对较低的盐分淡化区。

图5 滴头中心位置不同土层土壤含盐分随时间的变化Fig.5 Variation of soil salinity over time in the stratified soil at the center of the drip head

2.3 土壤盐分离子分布特征

图6 不同时间内盐分离子的分布特征Ⅰ(单位：g·kg-1)Fig.6 Distribution characteristics of salt ions in different time periods Ⅰ

2.4 土壤脱盐速度变化

在滴孔中心位置表层(0～20 cm)土壤盐分及离子的浓度相对较为稳定，利用已有数据计算了(0～10 cm)土层盐分(盐离子)脱盐速率(图8)。从图8中可以看出，随着滴灌时间的增加，土壤总盐分及Cl-、SO42-、Na+的脱盐率变化呈现先快速增加，达到最大值后，再逐渐缓慢降低，最后趋于稳定。当滴灌时间为3 h时，总盐分和各个离子脱盐速率均达到了最大值，其中Cl-的脱盐速率最大为每小时31.7%，总体上脱盐速率的大小顺序为Cl->Na+>总盐分>SO42-。当滴灌时间为15 h时，总盐和各个离子的脱盐速率趋于稳定，变化很小，这说明，当滴灌时间达到15 h(滴水量16.2 L·桶-1)时，表层土壤盐分基本达到了最大脱盐水平。

图8 表层土壤(0～20 cm)总盐和离子随时间的脱盐速率Fig.8 Desalination rate of total salts and ions in topsoil (0～20 cm) with time

2.5 土壤盐分浓度的模拟

表3 盐分浓度与滴灌时间的回归模型Table 3 Regressionmodel of salt concentration and drip irrigation time

3 讨 论

滴灌的水分入渗方式是点源入渗，盐分随水运动，在滴灌的过程中盐分分布主要集中在湿润体的边缘，土壤湿润锋处的盐分积累主要是由上层土壤盐分向下迁移所致，因此，在土壤湿润体内部必然会形成一个盐分浓度较低的淡化区。这一淡化区可以为作物提供较好的生长环境，也是滴灌开发利用盐碱地的主要思路和策略[13]。

盐碱土壤盐分淡化区的概念最早是有王全九等[4]在研究滴灌条件下土壤水盐运移特征时提出的，根据滴灌后土壤含盐等值线提出了脱盐区和积盐区的概念。通过本试验可以看出，在重度盐渍化土壤条件下，随着灌水时间的增加，灌水量增加，土壤盐分随着土壤水横向和纵向移动，盐分主要集中在湿润峰附近，不同土层盐分呈现先增加后降低的过程，离子也有相似的规律。滴灌开始后不久，盐分和水分开始横向运动，盐分离子也以横向移动，在滴灌一定时间后土壤盐分开始在0～10 cm区域形成了一个椭圆形盐分浓度较低的盐分淡化区域，随着滴灌时间的增加这个盐分淡化区逐渐扩大，到灌水结束，盐分淡化区的直径扩大到30 cm，并在30 cm以下形成了约10 cm宽的集盐区。本研究与许多研究结果[3-7,12]是相似的，但本研究中盐分淡化区的大小与一些研究结果[3,7]有一定差异，这可能与采用的低头流量和土壤质地等有关。本研究所使用的滴灌材料是小流量(1.08 L·h-1)的滴灌带，而其他研究是基于大田尺度，所采用的滴灌材料是大流量(2.4～3.2 L·h-1)滴灌带，不同的流量，导致不同的出水量，结果会有差异[5]。同时，本研究所用的土壤质地为砂质壤土，与上述研究的土壤存在差异，进而影响了盐分运移，关于这方面的研究较少，还需要进一步深入研究。

4 结 论